低壓配電網(wǎng)絡(luò)中非直接接觸式電壓測試技術(shù)的研究

許 劍，劉松陽

（北京中電飛華通信有限公司，北京 100160）

0 引 言

直接式電壓測量作為電壓測試的典型技術(shù)手段得到廣泛應(yīng)用，考慮到直接式電壓測量技術(shù)應(yīng)用本身的局限性，在電力施工、野外電力維護(hù)、設(shè)備日常運(yùn)維以及智能供電系統(tǒng)檢測過程中，很多檢測科目通常需要多次測試才能完成，嚴(yán)重影響城市電網(wǎng)的供電可靠性，電力測量效率低下，增加了測試中的風(fēng)險[1,2]。近年來，眾多學(xué)者和工程技術(shù)人員對非接觸式電壓測量電路拓?fù)溥M(jìn)行了廣泛研究[3-6]。部分研究人員和廠家僅研究了用于測試火線和零線的驗電筆裝置，未將驗電筆和非接觸式電壓測量裝置綜合起來使用。目前，國內(nèi)對于非接觸式電壓測試裝置的應(yīng)用研發(fā)還處在嘗試階段，對非接觸式電壓測量技術(shù)的理論研究也處于起步階段。研究農(nóng)村低壓配電網(wǎng)絡(luò)問題時，所涉及的220 V/380 V電壓等級待測線路用傳統(tǒng)的非接觸式測量方法將受到未知測量環(huán)境、待測線路型號的影響，無法準(zhǔn)確測量。

基于此，開發(fā)一種無須破壞低壓配電線路外絕緣，僅需將測量探頭緊貼在待測線路絕緣層表面就能完成線路電壓測量的非接觸式電壓測量裝置。通過測試，該裝置可以有效降低待測線路和裝置探頭間形成的寄生電容值所引起的測量不同類型線路時出現(xiàn)的測量誤差，系統(tǒng)信噪比較低，測量誤差能保持在合理范圍內(nèi)。

1 非接觸式電力電壓測量原理

1.1 電磁場理論

依據(jù)電磁場理論，設(shè)定Ua為供電線路上的運(yùn)行電壓，Ub為利用非接觸式電壓測試儀所測得的電壓，空間中若存在2個物體間有電動勢ε（ε=Ua-Ub≠0），就會產(chǎn)生電場E，電場分布的原理如圖1所示。如果將線圈置于該電場，只要電動勢ε≠0，則線圈就會產(chǎn)生感應(yīng)電流[7,8]。

圖1 電場分布

1.2 非接觸式電力電壓測量原理

傳統(tǒng)的電壓測試裝置需要將測試表筆直接與被測導(dǎo)電觸點接觸，不利于電壓測量的各種工況。非接觸式電力電壓測量原理如圖2所示。

圖2 測量原理

非接觸式電壓測量主要應(yīng)用測量表筆探頭和電纜間的電容效應(yīng)原理，以獲取供電線路中的電壓、頻率、波形信息，通過對采集的微弱電流信號進(jìn)行檢測和處理，完成供電線路電壓的非接觸式測量。非接觸式電力電壓測試儀測量原理如圖3所示。

測量儀2個探頭間可以產(chǎn)生頻率和幅值相等的電壓信號，利用裝設(shè)的電流檢測線圈對線路電壓進(jìn)行測量。電壓測試儀的2個探頭布置好與電力線的測試點，由于電力線存在交流電壓，測試探頭能接收感應(yīng)電流信號。

2 傳感器處理電路設(shè)計

為了獲取供電線路上的電壓信號，重點對以下4個方面進(jìn)行詳細(xì)探討。一是對電力線路的火線與零線開展非接觸式檢測；二是獲取電力線路上的電壓波形和頻率參數(shù)；三是檢測電力線路上頻率和幅值相等的電壓信號；四是對微弱電流信號的檢測。根據(jù)儀器探頭和電纜間的電場、感應(yīng)電壓信號，獲取電力線上的電壓幅度，達(dá)到準(zhǔn)確檢測電壓的目的。

2.1 設(shè)計架構(gòu)

非接觸式電力電壓測試架構(gòu)如圖4所示。

圖4 非接觸式電力電壓測試架構(gòu)

圖4中：節(jié)點①、節(jié)點②封裝在測試裝置的探頭中，節(jié)點①表示感應(yīng)線圈，節(jié)點②表示探頭中裝裝設(shè)的金屬極板；節(jié)點③、節(jié)點④以及節(jié)點⑤表示測試裝置的切換開關(guān)，虛線框中的內(nèi)容為設(shè)計的主體電路部分[9]。

2.2 確定電力線上火線和零線

利用非接觸式電壓測試儀進(jìn)行測試時，需要先確定電力線上各回路的相序分布。使用驗電筆測試電壓時，需要實現(xiàn)非接觸式功能開發(fā)，具體設(shè)計思路如下。使用2個探頭接近測試的2條電力線路時，靠近火線L探頭中的金屬極板節(jié)點②與機(jī)殼和人體構(gòu)成一個完整回路，數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）模塊控制開關(guān)節(jié)點⑥和b點接觸，開關(guān)⑦和b點接觸，開關(guān)⑧和d點接觸，由此可以確定電力線的火線和零線[10]。

2.3 獲取電力線上正弦波形

測試設(shè)備感應(yīng)的電壓應(yīng)與電力線上的運(yùn)行電壓具備同頻和同幅值的特點，考慮到電力線上的正弦波可能會存在失真現(xiàn)象，需要對獲取的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行耦合校準(zhǔn)操作。電壓波形采集電路框架如圖5所示。

圖5 電壓波形采集電路框架

電力線上的電壓信號通過耦合效應(yīng)匯入測試探頭，基于DSP的控制功能，利用衰減器、放大器等元件將電容C耦合得到的電壓信號控制到合理水平，滿足AD轉(zhuǎn)換器的輸入信號電平要求。DSP控制器的主要作用是引導(dǎo)AD轉(zhuǎn)換器采集調(diào)節(jié)后的電壓信號，并將采集結(jié)果存儲到存儲器。由于儀器探頭與電力線間的電容值較小，僅靠電容C不能完全將電力線上的電壓信號耦合到探頭上，此時獲取的電壓信號幅值不能作為電力線上的電壓參考使用，但其電壓波形可以被完整記錄。

2.4 獲取電力線上的正弦波頻率參數(shù)

由于電力線上的電壓頻率并非時刻都為50 Hz，需要實時獲取電力線上的電壓頻率參數(shù)。基于此，通過快速傅里葉變換獲取電力線上的電壓頻率信息[11]。

2.5 獲取電力線上同頻且同幅值的電壓波形

采用非接觸式電壓測試儀的2個探頭去捕獲電力線上同頻且同幅值的電壓信號，當(dāng)采用檢測探頭中的線圈①感應(yīng)出的電流為0時，則表明探頭極板上捕獲的電壓和電力線上的電壓相等，由此測出電力線上的電壓。非接觸式電壓測試儀的研究主要為電力線敷設(shè)和維護(hù)提供方便，需要具備可移動便攜功能，對此應(yīng)選取電池供電方式，將電池的直流低壓轉(zhuǎn)換成交流高壓。綜合運(yùn)用直接數(shù)字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）技術(shù)和正弦波脈寬調(diào)制（Sine Pulse Width Modulation，SPWM）逆變技術(shù)獲取所需的電壓信號[12]。

采集電力線上的電壓信號，經(jīng)SPWM技術(shù)處理后輸出到直流/交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）模塊，將直流信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鞣讲ㄐ盘枴Ｔ摲讲ㄐ盘柦?jīng)濾波器濾波后形成與電力線上相同的電壓信號，輸出電壓信號的幅值可以基于PWM信號的占空比值來調(diào)整。將濾波器輸出的信號接入變壓器N1端，非接觸電力變壓器的N2端和N3端可產(chǎn)生電壓信號，其中N2端可以模擬出電力線上的電壓信號。

獲取非接觸裝置的輸出電壓，同時對DSP檢測線圈①所產(chǎn)生的感應(yīng)電流進(jìn)行數(shù)值測試。如果DSP檢測線圈①所產(chǎn)生的感應(yīng)電流數(shù)值為0，則將DSP控制開關(guān)的節(jié)點⑥與a接觸、開關(guān)節(jié)點⑦與c接觸、開關(guān)節(jié)點⑧與d接觸，采集變壓器N3端電壓后即可獲取N2端電壓，從而測試出電力線上的電壓。按照設(shè)定次數(shù)進(jìn)行多次測量，測量后求取算數(shù)平均值并進(jìn)行分析，該操作有利于減小電力線上電壓的測量誤差。

2.6 算法流程

測試算法流程如圖6所示。

圖6 測試算法流程

3 仿真分析

利用設(shè)計的硬件完成樣機(jī)制作和數(shù)據(jù)采集，并結(jié)合MATLAB軟件完成對數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)的開發(fā)設(shè)計。非接觸式電壓測量裝置的現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）核心板、繼電器單元、放大單元、采集單元、供電單元、通信單元以及外圍功能單元采用模塊化設(shè)計，每個功能模塊均可單獨(dú)進(jìn)行功能調(diào)試。

在低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行非接觸式電壓測量裝置測試，在實驗室中搭建好測試環(huán)境，將測量裝置的外置探頭固定安裝在2.5 mm2三芯電源排插線上。將測試樣機(jī)分別固定安裝在縣級供電單元管轄的3種不同類型的低壓供電線路上，開展非接觸式電壓測量測試。低壓供電線路的原始電壓和重構(gòu)電壓波形如圖7所示。

圖7 待測線路的原始電壓和重構(gòu)電壓對比

由圖7可知，待測線路的原始電壓和重構(gòu)電壓存在一定的相位偏差，但電壓幅值基本一致，滿足測量要求。具體電壓測量結(jié)果如表1所示。

表1 電壓測量結(jié)果

由表1可知，利用非接觸式電壓測量裝置，其測量精度滿足樣機(jī)的測試要求。

4 結(jié) 論

通過研究非接觸式電壓測量裝置的應(yīng)用化設(shè)計，所設(shè)計的非接觸式電壓測量裝置能夠?qū)崿F(xiàn)400 V及以下電壓信號的有效測量，電壓測量精度控制在1.0%左右，滿足非接觸電壓測量的精度要求。在高壓測量環(huán)境下，該裝置的測量精度有待進(jìn)一步提升，未來仍需深入研究。